光纖傳感器在全光網絡安全管理中的應用

魏訪

摘 要：隨著科學技術的日益更新，光纖傳感技術已被列入高新科技行列，并廣泛應用于各行業當中，且備受世界各國重視。全光網絡是當前通信網實現信息傳輸和交換所使用的主要技術，其承載著巨大的信息量，因此，其安全性和可靠性成為人們所關心的重大問題之一。文章簡單闡述了光纖傳感技術及光纖傳感器的概念，分析了全光網絡及其所存在的安全隱患，并就光纖傳感器在全光網絡安全管理中的應用進行了論述和研究。

關鍵詞：光纖傳感器；全光網絡；安全管理

全光網絡（AII Optical Network，AON）是指一種以光信號為用戶之間信息傳輸與交換的網絡形式，全光網絡具有傳輸帶寬高、處理能力強、可抗電磁干擾等優勢而得到廣泛應用，且正逐步替代傳統網絡及光電網絡，成為當前通信領域的首選通信技術。全光網絡的信息傳輸量和交換量非常大，其安全性至關重要。伴隨全光網絡應用范圍的拓展，現為用戶提供一個安全性和可靠性較高的傳輸平臺，成為業內研究的重點。

1 光纖傳感技術與光纖傳感器

1.1光纖傳感技術的特質和應用

據相關資料表明，自20世紀70年代以來，伴隨光纖通信技術的不斷發展，基于光纖傳感技術而發展起來的網絡也不斷發生變化，其以光波為主體，以光纖為載體，相互得到感應和傳輸外界被測量信號的新型傳感作用。因此，不管是用于測量信號的主體光波，還是用于傳播光波的載體光纖，其都具備特殊的優勢，并擁有普通主體和載體獨特優點，其融合了信息傳輸及光子技術，并得到了廣泛應用，在實際生產及生活當中作出了巨大貢獻，因而廣受青睞，并不斷向前發展。

多年來的科研成果不斷投入使用，促進了光纖傳感技術的發展和進步。利用光纖傳感技術可完成很多技術難度較高，甚至很多傳統技術難以完成的測量任務，如于高壓電環境下進行測量、在具強磁場干擾的環境下進行測量等任務。雖然光纖傳感技術源于人類，是人類所研究和創造出來的，但其卻具有人類無法企及的能力，接收到很多人類無法接收的訊息。相比于傳統的傳感器，光纖傳感器的性能更佳。同時，它還可與計算機相互連接，具有傳統科技無法比擬的輕便性和便捷性優勢。

1.2光纖傳感器

光纖傳感器是一種利用光纖中光傳導時因受被測對象的影響而導致光發生一系列變化，通過分析光的變化而對被測對象進行檢測或控制的傳感器。相比于傳統傳感器，光纖傳感器具高靈敏度、良好電絕緣性、防爆、耐腐蝕、光路可彎曲、結構簡單、聯接方便、體積小、重量輕等優勢‘1]。光纖傳感器最初應用于軍事領域，后逐步發展至各工業領域，如電力、石油、化工、交通、建筑等，同時在國防、公共安全、環保等領域發揮著重要的監測作用。 依傳感原理，光纖傳感器可分為功能型和非功能型兩種；依被調制光波參數不同，光纖傳感器可分為強度調制、相位調制、頻率調制、偏振調制等各類光纖傳感器[2]。伴隨科學技術的不斷發展，各類新型光纖傳感器逐步涌現，如光子晶體光纖傳感器、聚合物光纖傳感器、長周期光纖光柵傳感器等，甚至還研發出了一些可于接收現場進行測試的傳感結構，尤其是分布傳感技術的應用，實現了動態的分布測試。將其應用于全光網絡當中，可迅速“感知”光纖是否被損，使得全光網絡的安全性和可靠性得以提高。

2 全光網絡及其安全隱患

2.1全光網絡概述

全光網絡是指以光信號為用戶之間傳輸及交換信息的主要方式的網絡形式，全光網絡具傳輸速率快、處理能力強、可抗電磁干擾等優勢而廣泛應用于各領域當中，并逐步取代傳統網絡和光電網絡，成為當前通信網絡的首選技術。因全光網絡所承擔的信息傳輸量非常大，所以.其安全性及可靠性顯得尤其重要。全光網絡是基于光纖傳感技術而發展起來的一種新型網絡形式，其安全性和可靠性直接影響了全光網絡的進一步發展。

2.2全光網絡的安全隱患

就全光網絡本身而言，其主要由業務層、適配層和光層共同組成，雖各業務層均有相應安全機制以保證信息傳輸與交換的安全性，但于光層中實現安全機制是當下全光網絡發展與應用的研究重點。相比于傳統網絡，全光網絡的安全性較為脆弱，主要體現在以下方面：（1）全光網絡的監管系統、光部件及光纜會發生故障或遭到破壞，致系統癱瘓，影響信息傳輸安全性。（2）未實施保護的光纖會被利用，致系統遭到攻擊。（3）光網絡當中有多個波長在進行傳輸，信道間的串擾會影響信息傳輸的安全性。（4）高速傳輸速率會加大數據破壞量，有時即使只是短暫的攻擊，系統被破壞或解密的數據量也非常大。（5）無重建數據流功能、透明節點無法識別信號調制及編碼格式等，都會在一定程度上影響系統的安全性。

伴隨全光網絡的不斷發展，全光網絡的透明性越來越顯著，其雖有利于提高網絡性能，但造成了一定安全隱患。據相關研究分析表明，全光網絡仍存在類似于傳統光網絡與光電網絡當中所存在的問題，尤其是帶內干擾和帶外干擾，嚴重影響全光網絡的安全性。總體而言，當前全光網絡的安全問題主要體現在以下3方面：（1）帶內干擾。帶內干擾主要是利用單個高能發射機將信號插入鏈路當中，從而使接收機的解譯能力降低。帶內干擾不僅會影響該鏈路上的信號，而且還會使得連接于此鏈路或此鏈路上節點的其他鏈路信號強度減弱。（2）帶外干擾。帶外干擾主要是利用外來干擾影響全光系統，與此同時利用所引發的光學器雜亂對系統進行攻擊，主在利用泄漏組件或交叉調制以減弱通信信號能量。若光纖放大器含交叉增益調制作用，帶外干擾就更易產生。（3）非法探測。非法探測是攻擊者利用合法用戶的共享資源對鄰近信道所泄漏的道間串擾進行監聽，以干擾或竊聽鄰近信號信息。非法探測的主要目的在于盜取用戶信息，是一種嚴重侵犯合法用戶權益的行為。

3 光纖傳感器在全光網絡安全管理中的應用

針對全光網絡所受到的攻擊，系統通常會進行自動診斷及檢測，當前所采取的方法主要有兩種：一種是統計分析通信數據，另一種是測量相關信號。統計分析通信數據主要利用寬波帶能量檢測和光譜分析兩種方式；測量相關信號主要利用導頻音和光時域反射儀兩種方式，這兩種方式的工作原理都是通過分布式光纖傳感技術來實現的[3]。分布式光纖傳感器是一種良好的結構應變分布監測器，其可在不對結構產生損害的前提下利用光導纖維的傳感運輸雙重性，對檢測場地沿光纖分布的多個節點或是連續節點進行測量，取代了傳統的利用多臺獨立的點傳感器進行測量的方法，有效提高了測量效率。

當前在全光網絡安全管理當中應用較為廣泛的光纖傳感器主要有光時域反射儀和光頻域反射儀，其中光時域反射儀（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）主要是利用光脈注入光纖及返回入射端之間的時間差來實現位置信息的提取。基于OTDR的光纖傳感技術包括基于布里淵散射光時域反射儀（Brillouin Optical Time DomainReflectometer，BOTDR）、基于布里淵光時域分析技術（Brillouin Optical Time Domain Analysis， BOTDA）及基于喇曼散射光時域反射儀3種分布式光纖傳感器。這同種光纖傳感器于全光網絡安全管理中的應用主要體現為以下幾方面。

（1）基于OTDR。基于OTDR的分布式光纖傳感器主用于檢測光纖的損耗點，可對整條光纖線路距離方面的損耗變化情況進行連續性顯示，其具強非迫害性，方便使用且具較多功能。但其在使用過程當中始終存在一段盲區，導致光纖兩端的衰減值存在較大差異。因此，在計算光纖衰減值通常取兩者的平均值。

（2）基于BOTDR。基于BOTDR的分布式光纖傳感器主用于監測應力及溫度。針對單一分布參數的測量具較高精度和空間分辨率，但布里淵的頻移較小，且其線寬較窄，對于激光器頻率的穩定性及光濾波器的要求較高，致其使用范圍受限。

（3）基于BOTDA。基于BOTDA主應用于監測應力及溫度變化。其精度及空間分辨率較高，動態范圍非常廣且具較高檢測精度。但其系統相對復雜，在實際應用當中，通常需于被檢測對象兩端分別旋轉泵浦激光器和探測激光器，使用條件受限，且無法檢測斷點。

（4）基于ROTDR。基于ROTDR主要應用于監測溫度變化，有助于提高系統的相對靈敏度及溫度測量精度，有效拓展了系統功能。但其要求良好光源，且返回信號較弱。

光頻域反射儀也叫相干光頻域反射儀（Optical FrequencyDomain Reflectiometry，OFDR），是一種于頻率軸上將位置信息進行提取的方法，其是先對檢測對象進行連續線性掃描，然后利用反射光和參考光的拍頻譜來計算反射光的分布。OFDR在全光網絡安全管理中的應用主要體現在利用OFDR對光纖上所受到的攻擊進行在線測試，以對被攻擊的光纖進行迅速定位，并將位置信息報告于上層管理系統，使系統能及時采取相應保護措施，以免受到破壞性攻擊。

4結語

總而言之，伴隨通信技術的不斷發展和成熟，全光網絡將逐步取代傳統普通網絡傳輸信息，全光網絡所傳送的信息量極大，一旦出現安全管理問題，將會帶來不可預估的損失。為加強信息傳輸的可靠性和安全性，全光網絡通常會帶有一定保護措施。實踐證明，光纖傳感器可有效防范全光網絡的安全問題，為進一步發揮光纖傳感器對于全光網絡的安全防范作用，還需進行深入研究與探討。

[參考文獻]

[1]唐軍.光纖傳感器在全光網絡安全及防范中的應用[J]數字通信世界，2016 （2）：141，220

[2]朱強，馬迎輝光網絡攻擊檢測的光纖傳感器[J].激光雜志，2017 （8）：36-39.

[3]曹銘.志光纖傳感器應用于全光網絡安全防范探析[J].信息通信，2012 （2）：247-248